前言
　　井口數(shù)字化建設是油田地面工程數(shù)字化建設最底層,、范圍最廣、最關鍵的現(xiàn)場部分,，主要完成對現(xiàn)場井口,、站點的數(shù)據(jù)采集和控制。包括：抽油機油井,、螺桿泵油井,、電潛泵油井、注水井等,。在數(shù)字化油田井口建設中,，使用無線傳感器可以減少建設周期、維護方便,，適合于規(guī)模施工,，全面建設數(shù)字化油田。下面以中石油青海油田為例,，介紹無線傳感器在油田中的應用,。
　　1.背景介紹
　　中石油青海油田公司是集油氣勘探、開發(fā),、研究,、生產(chǎn)、銷售為一體的大型石油公司,。作業(yè)區(qū)域在素有"聚寶盆"之稱的柴達木盆地,。石油資源量達21.5多億噸，天然氣資源量近25000億立方米,，目前油氣勘探程度較低,，具有廣闊的發(fā)展前景。
　　自2000年以以來,，青海油田在部分區(qū)塊已經(jīng)建立了井網(wǎng)自動化系統(tǒng),，典型系統(tǒng)如尕斯區(qū)塊、躍進區(qū)塊,、七個泉區(qū)塊,，覆蓋約500多口油井。但是原有系統(tǒng)的覆蓋面小，對于整個油田而言,，仍有一半以上的井口,、站點尚未實現(xiàn)自動化監(jiān)控；另一方面,，隨著電子技術、通信技術的發(fā)展,，在已有系統(tǒng)中,，早期建成的部分系統(tǒng)采用的產(chǎn)品和技術已經(jīng)逐漸失去了先進性，在使用維護過程中暴露出的一些問題,。
　　2011年青海油田的數(shù)字化油田項目,，完成對現(xiàn)場的抽油機油井、螺桿泵油井,、電潛泵油井,、注水井的數(shù)字化建設。最終要在2011年底建立起覆蓋整個油田的,、技術先進,、質(zhì)量可靠、便于使用維護的基于物聯(lián)網(wǎng)的油田數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控（SCADA）系統(tǒng),，實現(xiàn)數(shù)字化油田的建設目標,。
　　在實時監(jiān)控方面，實現(xiàn)對油井的遠程示功圖,、電流圖,、功率圖采集，三相電參數(shù)采集和中控室遠程啟?？刂?；在生產(chǎn)管理方面，通過抽油機示功圖對油井工況進行診斷分析,，通過電量數(shù)據(jù)掌握油井耗電情況和采取節(jié)能措施,，通過功圖計產(chǎn)分析制定油井管理措施；在生產(chǎn)信息方面,，在鉆采院室設置數(shù)據(jù)庫服務器和WEB發(fā)布服務器,，實現(xiàn)油田生產(chǎn)信息在油田范圍內(nèi)的信息共享。
　　1.1數(shù)字化油田項目
　　既包括新建區(qū)塊（對原來沒有實現(xiàn)自動化的區(qū)塊進行自動化建設）,，也包括老區(qū)塊改造（對已有自動化的區(qū)進行改造和完善）,。其中新建區(qū)塊的抽油機井約1000口、螺桿泵井約100口,、電潛泵井約20口,，此外還包括600多口注水井；老區(qū)塊改造的油水井總數(shù)約數(shù)百口,。這些油水井隸屬于3個采油廠12個區(qū)塊,。
　　各種井口要實現(xiàn)的功能如下：

　　2.數(shù)字化油田的總體結構設計和產(chǎn)品選型
　　井口數(shù)字化建設主要由井口控制終端(RTU),、現(xiàn)場檢測設備、通訊鏈路組成的一套（SCADA）數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng),。如何選用功能完備的RTU和檢測儀表,、如何選用可靠的通訊方式進行井口數(shù)據(jù)通訊以及如何使數(shù)據(jù)穩(wěn)定準確及時的傳輸?shù)街锌厥遥紱Q定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,、實用性和可靠性,。
　　在2011年的新系統(tǒng)建設和老區(qū)塊改造項目中，盡管各種油水井的功能同以前建設的已有系統(tǒng)類似,，但是在井站系統(tǒng)的通信系統(tǒng)設計和產(chǎn)品,、技術選型方面，卻發(fā)生了本質(zhì)的變化,。
　　在產(chǎn)品選型方面,，選用北京安控科技股份有限公司最新生產(chǎn)的高性能一體化無線RTU產(chǎn)品和無線傳感器，安控產(chǎn)品既保留了其傳統(tǒng)的高性能,、高可靠性等特點,，同時又全面支持最新的ZigBee無線技術。對于該油田已有系統(tǒng)的老RTU,，也采用北京安控公司的ZigBee無線通信模塊進行改造,，擴充出無線通信接口。
　　在井站系統(tǒng)通信設計方面,，井口儀表與井口RTU之間采用先進的ZigBee無線技術,，具備大容量、低功耗,、高可靠性,、高安全性的優(yōu)點，代表了短距離無線通信技術的發(fā)展趨勢,，并由此帶來施工簡化,、調(diào)試維護簡單、建設周期短等優(yōu)點,。井口RTU與上級監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)通信,，則采用了CDMA通信網(wǎng)絡。
　　2.1井站自動化系統(tǒng)的總體結構
　　在高標準,、高性能,、高穩(wěn)定性的原則指導下，青海油田數(shù)字化油田系統(tǒng)結構如下圖所示,，包括數(shù)據(jù)采集部分,、網(wǎng)絡通訊部分和采集驅(qū)動WEB發(fā)布三大部分

　　●每個井口通過無線傳感器采集所需數(shù)據(jù)；
　　●充分利用ZigBee網(wǎng)絡特點，一個平臺井口的所有無線儀表接入到同一個無線RTU,，組成Mesh網(wǎng)絡,，提高通訊可靠性；每個RTU可以帶64塊儀表,；
　　●所有無線儀表和無線RTU支持手操器調(diào)試,，方便現(xiàn)場維護；
　　●無線RTU采集到的無線傳感器數(shù)據(jù),，通過CDMA 1X網(wǎng)絡上傳到監(jiān)控中心,，并在本地存儲歷史數(shù)據(jù)，支持數(shù)據(jù)補傳功能,；
　　●監(jiān)控中心搭建油氣水井數(shù)字化生產(chǎn)信息平臺，通過WEB方式發(fā)布井口實時數(shù)據(jù),；
　　2.2產(chǎn)品選型
　　在油田井口數(shù)字化建設中,，相關產(chǎn)品選用了北京安控科技股份有限公司的采集和控制設備。這些設備均支持ZigBee技術,。ZigBee技術是一種近距離,、低復雜度、低功耗,、低速率,、低成本的雙向無線通訊技術。ZigBee技術是基于IEEE802.15.4物理層,、MAC層和數(shù)據(jù)連接層上制定出的標準,，具有高可靠、高性價比,、低功耗的網(wǎng)絡應用規(guī)格,。
　　北京安控科技股份有限公司（簡稱"安控科技"），是專業(yè)從事工業(yè)級RTU產(chǎn)品研發(fā),、生產(chǎn),、銷售和系統(tǒng)集成業(yè)務的高新技術企業(yè)，是行業(yè)領先的工業(yè)級RTU產(chǎn)品供應商和系統(tǒng)集成服務商,，擁有完善的遠程控制終端（RTU）產(chǎn)品鏈,，擁有完善的油氣田自動化和環(huán)保在線監(jiān)測專用產(chǎn)品。
　　2.2.1無線電量模塊

　　抽油機井,、電潛泵井的數(shù)據(jù)采集設備,，選用的是安控科技的SZ308無線電量模塊，可實現(xiàn)三相電壓,、三相電流,、有功功率、功率因數(shù)、有功電能等電參數(shù)采集,，實現(xiàn)抽油機啟停狀態(tài)采集,，實現(xiàn)抽油機的啟停控制,，與SZ902N配合實現(xiàn)抽油機井電流圖,、功率圖的采集。模塊具備6路AI,、4路DI,、4路DO通道。在通信接口方面,，具備1個RS232接口,、1個RS485接口，內(nèi)置了高性能的ZigBee通信芯片,，并配套提供2.4G高增益天線,。
　　SZ308無線電量模塊采用先進的32位處理器，不僅能完成電參數(shù)的采集,，還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理,、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能；強大的通訊組網(wǎng)能力和卓越的環(huán)境指標特性,，能夠適應各種惡劣工況環(huán)境,。通過無線通訊協(xié)議與井口RTU進行數(shù)據(jù)通訊。
　　2.2.2無線功圖傳感器

　　抽油機井示功圖采集選用安控科技的SZ902N無線功圖傳感器,，可自動測量抽油機井地面示功圖（沖程,、沖次等），實現(xiàn)對有桿泵示功圖的采集,。示功圖數(shù)據(jù)以ZigBee無線通信方式,，傳輸?shù)骄跓o線RTU中。
　　SZ902N無線功圖傳感器,，設備簡單,，只有一個與傳統(tǒng)載荷傳感器相似的終端組成；安裝方便,，與傳統(tǒng)的載荷傳感器安裝方法相同,，但是免去了有線儀表電纜敷設的施工量，安裝簡化快捷,；運行穩(wěn)定,，使用電池供電，可消除外界電網(wǎng)干擾,；安全防盜,，示功儀與卡鎖一起上下運動,，不易被人為破壞；技術先進,，可設置多個頻點,，避免同頻干擾；方法新穎,，利用加速度傳感器獲取位移量,；綠色產(chǎn)品,，利用太陽能充電安全環(huán)保,。通過無線通訊協(xié)議與井口RTU進行數(shù)據(jù)通訊。
　　2.2.3無線數(shù)字壓力表

　　井口油壓,、套壓采集選用安控科技的SZ903D無線數(shù)字壓力表,，實時監(jiān)測油壓,、油套的壓力和注水井注水壓力。SZ903D無線數(shù)字壓力表,，就地顯示配置液晶顯示器,；采用防H2S腐蝕設計；適用于各種惡劣的使用環(huán)境,；具有功能強、可靠性高,、應用靈活,、操作方便等特點。通過無線通訊協(xié)議與井口RTU進行數(shù)據(jù)通訊,。
　　2.2.4無線扭矩傳感器
　　螺桿泵井口扭矩,、負荷、轉(zhuǎn)速采集選用安控科技的SZ904無線扭矩傳感器,，實時監(jiān)測螺桿泵井口扭矩,、負荷、轉(zhuǎn)速,。SZ904無線扭矩傳感器,，采用防H2S腐蝕設計；適用于各種惡劣的使用環(huán)境,；具有功能強,、可靠性高、應用靈活,、操作方便等特點,。通過無線通訊協(xié)議與井口RTU進行數(shù)據(jù)通訊。
　　2.2.5無線數(shù)字溫度表

　　井口溫度采集選用安控科技的SZ905D無線數(shù)字溫度表,，實時監(jiān)測井口油溫和注水井注水溫度,。SZ905D無線數(shù)字溫度表,，就地顯示配置液晶顯示器；采用防H2S腐蝕設計,；適用于各種惡劣的使用環(huán)境,；具有功能強、可靠性高,、應用靈活,、操作方便等特點。通過無線通訊協(xié)議與井口RTU進行數(shù)據(jù)通訊,。
　　2.2.6無線RTU

　　井口無線RTU選用安控科技的SZ932無線網(wǎng)關產(chǎn)品,。該設備具有1個ZigBee無線接口、1個RS485接口,、1個RS232接口,、1個TCP/IP網(wǎng)絡接口，因此可以廣泛用于以下場合：
　?。?） 接收SZ90X無線儀表的數(shù)據(jù),；
　　（2） 實現(xiàn)有線通信和無線通信之間的轉(zhuǎn)換,；
　?。?） 實現(xiàn)第三方產(chǎn)品的協(xié)議轉(zhuǎn)換；
　?。?） 作為網(wǎng)關設備,，將有線RS232/RS485或者無線通信轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸；
　　在油田井口數(shù)字化建設中,，SZ932無線RTU可以通過ZigBee接口接收井口無線儀表的數(shù)據(jù),，并通過ZigBee或其他通信方式將井口數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控室。主要支持的通信方式為
　　1) GPRS/CDMA DTU通信
　　2) 無線網(wǎng)關通信
　　3) SCDMA大靈通通信
　　4) 數(shù)傳電臺通信
　　5) 有線RS485通信
　　2.3網(wǎng)絡通信設計
　　從系統(tǒng)結構圖可以看出,，通信設計采取了ZigBee+CDMA 1X方式,，達到實時數(shù)據(jù)采集、傳輸,、遠程控制等效果,，并將相應數(shù)據(jù)傳輸至后臺網(wǎng)絡，實現(xiàn)后臺信息共享,，信息管理等應用,。
　　2.3.1  ZigBee無線應用部分
　　每個叢式井場，一般有3,、4口井相對比較集中,采用短距離無線技術可以節(jié)省成本同時也降低了施工強度,。無線技術采用的是ZigBee的無線網(wǎng)絡協(xié)議，ZigBee是一種無線連接,，可工作在2.4GHz(全球流行),、868MHz(歐洲流行)915MHZ(美國流行)3個頻段上,，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,，它的傳輸距離在10-250m的范圍內(nèi),，但可以繼續(xù)增加。
　　2.3.2  CDMA應用部分
　　井站是分散的,，且與作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心的距離相對較遠,。井口采集數(shù)據(jù)要統(tǒng)一傳送到中控室，采取了抗干擾能力強,、傳輸距離遠的CDMA作為媒介,，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性和穩(wěn)定性,。
　　3．系統(tǒng)實現(xiàn)的功能
　　數(shù)據(jù)采集包括井口數(shù)據(jù)采集,、作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心。
　　3.1井口數(shù)據(jù)采集部分
　　1) 功圖法量油
　　在井場,，井場配套無線功圖傳感器SZ902N,，實現(xiàn)油井功圖全天候采集。在作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心則安裝專門的示功圖量油診斷軟件,，及時掌握油井產(chǎn)量情況和分析故障原因,。
　　2）電流圖、功率圖采集
　　無線電量模塊與無線功圖傳感器配合,，實現(xiàn)油井電流圖,、功率圖全天候采集。在作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心則安裝專門的分析診斷軟件,，及時掌握油井電機運行情況和分析故障原因,。
　　3）電參采集,、油井壓力,、溫度采集
　　在抽油機控制箱配套無線電量模塊SZ308，監(jiān)測抽油機上下行過程中三相電流和三相電壓的變化情況,；監(jiān)視抽油機運行狀態(tài),，對電機缺相、過載,、空轉(zhuǎn)等故障實現(xiàn)自動報警,，并能根據(jù)控制中心命令實現(xiàn)啟停控制,。
　　在油井上安裝無線數(shù)字壓力表SZ903D,，實時監(jiān)測油壓和套壓的變化。
　　在油井上安裝無線數(shù)字溫度表SZ905D,，實時監(jiān)測井口出油溫度的變化,。
　　3）螺桿泵井
　　在螺桿泵井井口安裝無線扭矩傳感器,，實時采集光桿的扭矩、負荷,、轉(zhuǎn)速,。在作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心則安裝專門的螺桿泵量油診斷軟件，及時掌握螺桿泵井產(chǎn)品情況,。
　　無線RTU  SZ932提供了標準的RS485接口,，能夠與螺桿泵控制變頻進行通訊。采集變頻實時數(shù)據(jù),，了解三相電壓,、三相電流、電功率,、功率因數(shù)和電能等參數(shù),，并據(jù)此制定節(jié)能降耗措施。
　　4）電潛泵井
　　在電潛泵井控制箱內(nèi)配套無線電量模塊SZ308,，通過電流互感器對電泵井的三相電流進行實時監(jiān)控,。
　　5）注水井
　　在注水井安裝無線數(shù)字壓力表SZ903D，實時監(jiān)測注水井壓力的變化,。
　　3.3監(jiān)控中心部分
　　建立油氣水井數(shù)字化生產(chǎn)信息平臺,，通過WEB方式實現(xiàn)流程監(jiān)控、功圖分析,、生產(chǎn)曲線,、報表生成、操作日志和報警等功能,。有著信息完整,、提高工作效率、正確掌握系統(tǒng)運行狀態(tài),、加快決策,、能幫助快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等優(yōu)勢。提高了油田油井系統(tǒng)運行可靠性,、安全性與經(jīng)濟效益,，減輕了調(diào)度員的負擔，實現(xiàn)了油田調(diào)度自動化與現(xiàn)代化,，在提高調(diào)度人員的工作效率和操作水平方面有著不可替代的作用,。
　　4．無線傳感器在油氣田數(shù)字化建設中的優(yōu)點、效益分析
　　與傳統(tǒng)的產(chǎn)品選型和系統(tǒng)設計相比,，無線傳感器在油氣田數(shù)字化建設和使用中均顯示出了獨特的優(yōu)點：
　　4.1施工簡便,、低成本，節(jié)省材料和人工
　　油田傳統(tǒng)的井站自動化系統(tǒng)的建設方式,，以某油田原有的老區(qū)塊為例,，采用的是模擬儀表和有線通信傳輸,。模擬儀表傳輸和有線通信方式，在施工安裝過程中不可避免地需要敷設信號電纜,、通信電纜（如RS485電纜）,，涉及到在井場挖溝和安裝電纜護管等。人工費用和材料費用造成施工成本高,。
　　而在無線傳感器應用的系統(tǒng)中,，這一部分的施工費用不存在了，信號傳輸和通信傳輸均簡化為無線通信的調(diào)試,，施工成本被降到了最低,。
　　4.2施工快捷，建設周期短,，便于后期維護
　　由于新系統(tǒng)的建設省略了在井場動土挖溝,、動火電焊等施工，因此施工速度提高了數(shù)倍,。
　　以安控科技生產(chǎn)的無線功圖傳感器的安裝為例,，傳統(tǒng)的信號電纜敷設和傳感器安裝需要至少半小時以上，而該傳感器減少了安裝抽油機光桿卡子和電纜敷設的時間,，因此正常的安裝時間縮短到了10分鐘以內(nèi),。
　　井場內(nèi)自動化設備的安裝施工中，都需要對油井停機停電,，而停機就意味著油井減產(chǎn),。因此從這個意義而言，施工速度的提高就等于是生產(chǎn)效益的提高,。
　　在系統(tǒng)的后期維護方面,，某油田老區(qū)塊原有的信號和通信電纜，在修井作業(yè)中經(jīng)常被重型車輛軋斷和遭到人為破壞,。而無線傳感器則免除了這一問題,。
　　4.3適合于規(guī)模施工，全面建設數(shù)字化油田
　　隨著電子技術,、計算機技術的進步,，特別是國產(chǎn)設備的推陳出新,，油田專用的RTU,、PLC產(chǎn)品的采購成本已經(jīng)逐漸降低；而無線技術的應用,，則帶來了施工費用的大大降低,。
　　僅僅在數(shù)年以前，油田數(shù)字化建設的投資還只能針對重點區(qū)塊,、建設重點工程,。而目前最新的技術和產(chǎn)品,，則為全面建設數(shù)字化油田創(chuàng)造了條件。